Детонационная стойкость

Базовой эксплуатационной характеристикой и одновременно основным ценообразующим параметром автомобильного бензина является его детонационная стойкость, выраженная октановым числом.

При детонационном сгорании топлива скорость распространения пламени примерно в 100 раз превышает скорость распространения пламени при нормальном сгорании.

Сильная детонация приводит к перегреву двигателя, прогоранию колец, поршней и клапанов, разрушению подшипников и т. д. Однако увеличение износа двигателя и падение его мощности из-за детонации, как правило, не столь существенны, пока она не становится интенсивной и длительной.

Мерой детонационной стойкости топлива является октановое число (ОЧ) по условно принятой шкале. В этой шкале за 100 единиц принята детонационная стойкость изооктана (2,2,4-триметилпентана С(СН3)3–CH2–CH(CH3)2), а за 0 единиц принята детонационная стойкость н-гептана (С7Н16).

Рассмотрим, какие углеводороды оказывают влияние на эту важнейшую эксплуатационную характеристику автомобильных бензинов.

Парафиновые углеводороды нормального строения (неразветвленные) имеют низкую устойчивость против детонации.

Разветвленные парафиновые углеводороды имеют более высокие высокую устойчивость к детонации, причем с увеличением степени разветвления их устойчивость возрастает.

Нафтеновые углеводороды более устойчивы к детонации, чем алканы с тем же количеством атомов углерода в цепи. Например, если условно у н-гептана ОЧ = 0, то у циклопентана (С5) ОЧ = 87, а у циклогексана (С6) ОЧ = 77.

Если нафтеновые углеводороды имеют в кольце алкильные заместители, то увеличение длины алкильных цепей уменьшает детонационную стойкость, а разветвленные алкильные цепи увеличивает детонационную стойкость.

Ароматические углеводороды еще более детонационно устойчивы. Они имеют высокие октановые числа, но с увеличением длины боковых алкильных цепей у них снижается детонационная стойкость. Например, у бензола ОЧ = 108, у толуола ОЧ = 104, у изопропилбензола ОЧ = 99.

Несмотря на высокую детонационную стойкость ароматических соединений на их содержание в автомобильных бензинах, накладывают определенные ограничения из-за их гигроскопичности (они поглощают влагу из воздуха), способности увеличивать нагар в двигателе и повышать температуру сгорания топлива в двигателе, что приводит к росту теплонапряженности двигателя.

Олефины по детонационной стойкости близки к нафтенам. Уменьшение длины цепи увеличивает их стойкость.

Разработано три стандартных метода определения детонационной стойкости автомобильных бензинов: исследовательский, моторный и расчетный методы.

Исследовательский метод определения октанового числа по ГОСТ Р 52947–2008 (ЕН ИСО 5164:2005) «Нефтепродукты.

Определение детонационных характеристик моторных и авиационных топлив». Исследовательский метод определения детонационных характеристик реализуют на одноцилиндровой четырехтактной карбюраторной установке CFR или отечественном двигателе УИТ-85М, работающих с переменной степенью сжатия с использованием условной шкалы октановых чисел.

Определение октанового числа по исследовательскому методу (research method – RON) предусматривает измерение детонационных характеристик моторных топлив в автомобильных двигателях в мягких условиях эксплуатации.

Числовой показатель стойкости топлива к детонации, полученный сравнением интенсивности его детонации с интенсивностью детонации первичных эталонных топлив с известным октановым числом.

Получаемое исследовательским методом октановое число (ОЧИ) соответствует относительно мягким условиям работы двигателя (городская езда автомобилей с небольшими нагрузками).

Моторный метод определения октанового числа по ГОСТ Р 52946–2008 (ЕН ИСО 5163:2005) «Нефтепродукты. Определение детонационных характеристик моторных и авиационных топлив». Моторный метод реализуют на одноцилиндровой четырехтактной карбюраторной установке CFR или отечественном двигателе УИТ-85М.

Определение октанового числа по моторному методу (motor metod – MON) предусматривает измерение детонационных характеристик моторных топлив в автомобильных двигателях в жестких условиях эксплуатации.

Данная смесь обозначена следующим образом: 100 MON. Второе первичное эталонное топливо составляют на основе гептана чистотой не менее 99,75 % об., содержащее не более 0,10 % об. изооктана и не более 0,5 мг/дм³ свинца. Данная смесь обозначена 0 MON.

По содержанию в смеси изооктана находят искомое октановое число. Полученное этим методом значение октанового числа (ОЧМ) соответствует работе двигателей с повышенной нагрузкой (загородная езда нагруженных автомобилей) и всегда ниже, чем ОЧИ.

Методы детонационных испытаний полноразмерных серийных двигателей в стендовых и дорожных условиях по ГОСТ 10373–75 значительно сложнее исследовательского и моторного методов, требуют больших трудозатрат и расхода эталонных смесей, поэтому они предназначены для квалификационной оценки серийных двигателей или для определенных исследований параметров их работы.

По результатам определения этими методами октанового числа строят серию графиков его зависимости от важнейших параметров двигателя – угла опережения зажигания, частоты вращения вала, мощности двигателя и др. Для прямогонных бензинов предложена формула:

где ρ420– относительная плотность бензина.

Для таких же прямогонных бензинов с конечной точкой кипения до 200 °С:

где А, Н, ИП и НП – содержание ароматических, нафтеновых, изопарафиновых и н-парафиновых углеводородов в бензине соответственно, выраженное в % масс.

Разработан также расчетный метод, основанный на хроматографическом методе анализа бензина. Достоинство расчетных методов состоит в том, что они не требуют для анализа больших количеств бензина, что важно при проведении лабораторных исследовательских работ.

Недостаток их заключается в большой погрешности, достигающей иногда 10 % и более. Высокой детонационной стойкости автомобильных бензинов достигают тремя способами.

При первом способе в качестве базовых бензинов применяют наиболее высокооктановые вторичные продукты переработки нефти или же увеличивают их доли в товарных бензинах.

Второй способ предусматривает использование высокооктановых компонентов, которые добавляют в бензины: ароматических и изопарафиновых углеводородов.

Третий способ, который используют наиболее часто, состоит в применении антидетонационных присадок. В настоящее время широко используют все три способа повышения детонационной стойкости автомобильных бензинов.